冲击式水轮机转轮的流固耦合及振动研究

为研究冲击式水轮机斗叶内的流固耦合及振动特性对转轮斗叶结构的影响程度,建立了斗叶结构域和流体域的三维数学模型。运用Fluent与Workbench的交互式接口平台,计算了不同水头段下的流固耦合特征。分析得到转轮斗叶在射流流场中的动力特征,归纳了转轮斗叶根部裂纹的生成的主要因素,预测了机组发生共振的可能性。     

水力机械现场测试技术及其进展

水力机械现场测试经过多年发展,已从常规的能量性能测试研究到内特性、动力特性方面的研究,从稳态运行工况到过渡过程工况的参数特性研究,通过智能测试技术、先进传感器制造和信息技术发展,极大地提高了现场测试技术和测试精度。同时,在水力机械现场运行中的关键部件受力和转轮叶片动应力测试方面也有了很大的提高,为机组运行疲劳和机组寿命预测研究做出了相应的贡献。     

大型水力机组中空化现象的比尺效应

大型水力机组中的空化比尺效应关系到真机的空化性能和水电站装机高程的确定．影响水力机组空化比尺效应的主要因素有：机组运行水头、转轮直径、液体中的空气含量以及流动介质本身的性质等等．本文在前人研究的基础上推导出真机与模型机之间的空化相似率，提出了水力机械模型试验台上空化试验应遵循的相似准则．以岩滩电站为例，根据其模型转轮的空化试验和流场理论分析结果推算了岩滩电站真机的空化特性．建议在确定大型水力机组，尤其是三峡机组的吸出高度时，较多的考虑初生空化系数的影响，取用较接近于真机实际的初生空化系数值，从水电站的设计和机组安装上保证转轮内良好的流态，避免空化引起的破坏．     

PO45转轮在三港电站的应用

三港电站在水轮机选型中,对选择HL240和PO45两种转轮进行了比较,确认PO45转轮在技术上有蜗壳按给定流速分布规律设计、固定导叶与活动导叶按双环列平面叶栅设计和转轮按准三元理论设计等特点,故具有良好的水力特性,转轮效率高。该电站机组安装并网发电,运行稳定,各项技术指标基本符合设计要求。表2个。     

QBT水电站水轮机模型验收试验分析

结合对QBT水电站水轮机模型验收试验的主要内容及试验结论的介绍,通过计算机数值模拟分析(包括全流道及相关过流部件的CFD分析研究),优化了水轮机的水力特性(包括能量特性、空化特性及水力稳定性等),并根据计算机模拟优化结果设计制造模型装置及试验模型转轮。经过模型试验,最终选定各项性能指标优良且能满足合同文件要求的A1624转轮作为电站模型转轮,并对选定的转轮进行了全面完整的模型试验。图2幅,表6个。     

基于水力振源合理施加的水电机组轴系统振动分析

水力振源诱发机组厂房结构振动,影响机组发电效率,甚至威胁其正常安全运行。合理模拟机组振源是研究预测及解决机组厂房结构振动问题的关键。通过CFD(计算流体动力学)数值模拟,提出一种水轮机转轮叶片表面脉动压力的更为合理的计算和施加方法,并综合考虑电磁和机械振源的耦合作用,对所建立的三维水轮发电机组转子-轴承系统模型进行了振动分析。研究表明:通过CFD能够获得可信的转轮表面处各点脉动压力时程,脉动压力对轴系统振动响应的影响不可忽略,对其合理的模拟和施加是必要的。此外,进行了电磁不平衡拉力与机械不平衡力相位差对轴系振动响应的敏感性分析。研究结论可为水电机组及厂房设计运行及振动预测控制等提供参考。     

基于单/双向流固耦合的水翼水力阻尼数值预测方法研究

为评估水力机械外部瞬态载荷作用下的动力响应幅值,必须考虑流固耦合产生的水力阻尼效应。如何准确预测水下结构水力阻尼参数是设计阶段评价水力机械运行稳定性的难点问题。借助分离式单/双向流固耦合数值模拟方法,针对工程中常用的NACA0009翼型,开展了水翼在5～20 m/s流速下的振动特性和水力阻尼比数值预测方法研究。分析结果表明:第1阶弯曲模态振型在静水中与20 m/s流速下相一致,且低阶模态水翼固有频率随流速变化在3.95%以内,据此,单向流固耦合中将静水中振型及固有频率作为动水水翼的初始条件的假设是可行的。基于单向流固耦合方法所预测的水力阻尼比与实验值的平均相对偏差为11.42%。双向流固耦合则不需要该假设,能更加准确地预测低阶模态固有频率、水翼尾部脱落涡频率和水力阻尼比,相对实验值的平均偏差分别为4.36%、4.24%和4.95%。单/双向流固耦合数值方法都能预测水力阻尼比随流速线性增加的规律。本文算例中,相同计算资源条件下双向流固耦合所需计算时间是单向计算的15倍。在实际工程应用中,推荐优先采用单向流固耦合方法。     

基于声-固耦合的水轮机转轮动力特性研究

水轮机转轮的动力特性对水力发电机组和电站厂房的振动噪声设计具有重要意义。基于声-固耦合理论,考虑转轮表面水压及离心力应力刚化效应对转轮动力特性的影响,建立了一种转轮湿模态计算模型。以某电站水轮机转轮为研究对象,研究结果表明:相比干模态,湿模态具有相同的振型,但固有频率有所衰减,前4节径模态衰减系数约为0.77;转轮工作应力主要由离心力引起,表面水压作用较小,应力刚化不会改变转轮的湿模态振型,但会使固有频率略微提高,前4节径增长比不大于2.14%。     

水泵水轮机转轮裂纹成因分析及处理

黑麋峰电站3号机、4号机组检修期间探伤发现叶片与上冠和下环焊缝的进出水边发现裂纹,并存在贯穿性裂纹。本文从转轮水力设计、材料结构强度设计、机组运行情况、焊接工艺等方面,结合叶片裂纹特征进行成因综合分析,现场严格控制转轮修复工艺,将机组检修与机组运行维护相结合,切实保证了机组的稳定性能。     

混流式水轮机组技术改造前后性能分析

针对目前中小型水电站运行及改造中存在的问题,为探究混流式水轮发电机组改造前后的水力稳定性,基于CFD性能预测方法,以某电站的实际改造情况为例,对该电站改造前后的水轮机内部流场进行全流道三维数值模拟分析,探讨水轮机内部流场的速度分布、压力分布等情况,并做了对比分析。结果表明:更新改造后的电站机组活动导叶头部撞击损失减少,转轮的内部流态得到改善,流动更加均匀;且转轮在高水头、大流量运行区域叶片速度和压力分布更加均匀,提高了水轮机水力效率,机组运行更加稳定,检修周期延长。研究结果可为中小型水轮发电机组的增效扩容技术改造提供一定参考。     

轴流式ZZT03转轮水力性能研究

ＺＺＴ０３型转轮人有良好的水力性能，它适用于水头为９ｍ及以下水头段，为研究其水力性能作了有肘形尾水管和直锥形尾水管的两种试验。试验成果表明，该转轮可以取代原ＺＤ７６０转轮，并为原装在ＺＤ７６０水轮机的水电站增容改造提供了较为理想的转轮，由于其流道与ＺＤ７６０相同，电站只需要换转化可达到增加机组出力，提出高电站经济效益的目的。     

基于转轮换型的水轮机增容改造及数值模拟

从青海铁吾电站HL160-WJ-84水轮机运行中的实际问题出发,在明确了水轮机改造的方向和目标后,对新旧型谱系列模型转轮的性能进行了对比分析。基于对比结果,初选出了D06A转轮用于技术改造试验。对改造前后的水轮机全流道进行三维湍流数值计算,给出了水轮机改造前后的水动力学特性差异。同时,对改造前后的水轮机蜗壳、转轮叶片的流态分布状况进行了分析比较,对改造后的水轮机整体水力性能进行预估。分析认为,对于小型卧式HL160机组而言,更换转轮后还需对上冠泄水孔实施改造,以防止对流场造成扰动,降低机组的效率。     

扩建增容引水式水电站运行的安全稳定性分析

为了充分利用水能资源和优化水电站的运行方式,对已建大中型水电站进行扩建增容日益成为水电能源开发的重要方式之一。在扩建增容的引水式水电站运行中,其增容机组和原设机组运行的安全稳定性以及相互的水力影响是其中的主要问题。基于综合有压管道特征线法和状态方程分析的联合算法,着重研究扩建增容引水式水电站的大波动、小扰动和水力干扰稳定性问题,并且结合实际算例作具体分析,为类似电站增容方案的设计和安全稳定运行提供可靠的依据。     

水泵水轮机全流道“S”特性区数值分析

抽水蓄能电站在水电中扮演着极其重要的角色,其机组水泵水轮机的“S”特性区流动情况是研究的重点。以自主研发的某水泵水轮机为研究对象,根据模型试验结果的“S”特性曲线,选取其中小导叶开度的“S”特性曲线,结合SST k-w湍流模型,运用ANSYS-CFX软件对曲线上部分工况点进行了数值分析。数值分析工况包括水轮机工况、飞逸工况、制动工况和反水泵工况,通过计算得到了单位流量和单位转速的关系曲线,所得曲线与模型试验曲线较为吻合。计算结果表明：在制动工况和反水泵工况时,固定导叶、活动导叶和转轮区域内均存在较多的旋涡性回流,为较为不稳定的工况。转轮区域内流动速度极低,叶片中间位置有无规则性回流,相邻的两个叶片头部之间形成横向流动的水环,水环在离心力的作用下阻挡水流进入流道,从而大大减小了转轮的过流能力,这可能是导致水泵水轮机在制动工况下单位转速降低的重要原因。     

混流式水轮机叶片疲劳裂纹分析及其改进方案

近年来,国内外一系列大型混流式水轮发电机组频繁发生转轮叶片的疲劳裂纹问题,对电站机组的安全稳定运行构成了严重威胁。本文以混流式水轮机为研究对象,通过全流道CFD计算及基于顺序流固耦合的转轮结构应力场计算,分析该转轮产生疲劳裂纹的原因。随后提出在叶片出水边和上冠连接处加装应力释放三角块的方案,以降低叶片最大有效应力值、改善叶片应力分布。计算结果表明该方案可以明显降低叶片最大有效应力、改善叶片应力分布。计算结果也可为其它水轮机转轮的疲劳裂纹及其应力特性分析提供参考。     

水力机械研发平台的建设和应用

中国水科院水力机械研发平台是以建设水力机械新模型试验台为核心,结合CFD数值模拟技术的开发和应用,利用现代计算机技术和测试技术搭建的研究开发平台。该平台的建设在同台对比试验、贯流式水轮机力矩测试、浑水浓度及水头测量、固液两相流CFD数值模拟及磨损预估等方面提出了创新的方法及技术,使试验台试验能力和测试精度均达国际领先水平。通过该平台,开发和设计出一大批优秀的水力机械模型转轮、抗磨材料和稳定性技术,广泛应用于水利、水电的建设与改造中,并进行了三峡右岸、溪洛渡、向家坝等巨型水电站的水轮机及江苏溧阳抽水蓄能电站、浙江仙居抽水蓄能电站的水泵水轮机同台对比试验,为锦屏一级水电站、土耳其OBRUK水电站、老挝南立水电站等国内外十几个大、中型水电站的水轮机和水泵水轮机进行了模型验收,推动了水轮机、水泵水轮机性能水平的提高和水力机械模型测试技术的进步。     

双转轮水轮发电机组的研究与应用

介绍了2台水轮机与1台发电机组合而成的双转轮水轮发电机组的研究与应用.这种布置方式可适用于水头或流量变化较大的水电站,具有节省投资、运行灵活、电气设备简化等优点,为水电站水轮发电机组设备的选择提供了另一条途径,增加了一个对比方案.该成果已获得国家专利并通过了广东省技术成果鉴定.     

水力过渡过程中坝后式水电站流道压力空间分布特性

为了保证水电站运行安全,有效控制水力过渡过程中坝后式水电站流道压力变化,必须明确水力过渡过程中流道的三维压力分布特性。为此,以三峡右岸水电站这一典型的坝后式水电站为研究对象,对水力过渡过程中流道三维空间压力分布特性进行研究。结果显示,当导叶采用三段折线式关闭规律在额定工况下甩全部负荷时,水电站流道不同区域的压力瞬变规律具有不同的特征,同一过水断面上不同位置瞬时压力差值较大,特别在活动导叶外缘断面、转轮出口断面及尾水管肘管段出口断面,其同一时刻最大压力和最小压力的最大差值达393.207%。研究结果表明,对引水道短、断面面积大的水电站,采用三维数值模拟较传统一维特征线法更能反映水力过渡过程中流道的压力瞬变特性,为水电站的安全运行提供更好的保障。     

混流式水轮机叶片强度计算及其应力特性改善

近年来，国内外一系列大型混流式水轮发电机组频繁发生转轮叶片的疲劳裂纹问题，对电站机组的安全稳定运行构成了严重威胁。本文以一混流式水轮机为研究对象，通过混流式水轮机全流道CFD计算及基于顺序流固耦合的转轮结构应力场计算，分析该转轮产生疲劳裂纹的原因；其次通过在叶片出水边和上冠连接处加应力释放三角块来降低叶片最大有效应力值和改善叶片应力分布。结果表明应力释放三角块可以明显降低叶片最大有效应力和改善叶片应力分布。本文计算结果可为其它水轮机转轮的转轮疲劳裂纹分析及应力特性改善提供参考。     

基于嵌入式微处理器的水轮发电机组单元监控系统

新型嵌入式微处理器MC68HC912DG128A(MCU)应用于小型水电站智能监控系统以后,克服了可编程逻辑控制器(PLC)在水轮发电机组监控应用中难以实现单元监控的困难,简化了外围集成电路和数据采集接口,增强了单元监控系统内部和系统之间的数据交互能力,提高了小型水电站自动化运营水平。研发结果表明,基于嵌入式微处理器的水轮发电机组单元监控系统适合于小型水电站智能监控。